مناطق پنهان در اولین توالی کامل ژنوم انسان آشکار شد

بخش‌هایی از ژنوم انسان اکنون برای اولین بار برای مطالعه در دسترس است که برای درک بیماری‌های ژنتیکی، تنوع انسان و تکامل اهمیت بسیاری دارند.اولین توالی کامل یک ژنوم انسانی، که هر کروموزوم را بدون فاصله (شکاف) و دقت بی سابقه‌ای پوشش می‌دهد، اکنون از طریق مرورگر ژنوم UCSC قابل دسترسی است و در شش مقاله منتشر شده در (31 مارس 2022) در Science توضیح داده شده است.

از زمانی که اولین پیش نویس کاری از توالی ژنوم انسانی در UC سانتا کروز در سال 2000 جمع آوری شد، تحقیقات ژنومیک به پیشرفت‌های عظیمی در درک ما از بیولوژی و بیماری انسان منجر شده است. با این وجود، مناطق مهمی که حدود 8 درصد از ژنوم انسان را تشکیل می دهند، به دلیل محدودیت‌های فناوری‌های توالی یابی DNA، بیش از 20 سال از دید دانشمندان پنهان مانده اند.Karen Miga، استادیار مهندسی زیست مولکولی در UC سانتا کروز، وAdam Phillippy در موسسه ملی تحقیقات ژنوم انسانی (NHGRI) یک تیم بین‌المللی از دانشمندان را سازماندهی کردند تا قطعات گمشده را پر کنند. اکنون تلاش آن‌ها نتیجه داده است.

ژنوم مرجع جدید که T2T-CHM13 نام دارد، نزدیک به 200 میلیون جفت باز توالی DNA جدید، از جمله 99 ژن احتمالاً برای کدگذاری پروتئین‌ها و نزدیک به 2000 ژن کاندید که نیاز به مطالعه بیشتر دارند، اضافه می کند. همچنین هزاران خطای ساختاری را در دنباله مرجع فعلی تصحیح می کند.

شکاف‌هایی که اکنون توسط توالی جدید پر شده است شامل کل بازوهای کوتاه پنج کروموزوم انسانی است و برخی از پیچیده‌ترین مناطق ژنوم را پوشش می‌دهد. این‌ها شامل توالی‌های DNA بسیار تکراری است که داخل و اطراف ساختارهای کروموزومی مهم مانند تلومرها، در انتهای کروموزوم‌ها و سانترومرهایی که جداسازی کروموزوم‌های تکثیر شده را در طول تقسیم سلولی هماهنگ می‌کنند، یافت می‌شوند. توالی جدید همچنین تکثیرهای قطعه‌ای ( بخش‌های طولانی از DNA که در ژنوم تکثیر شده‌اند و نقش مهمی در تکامل و بیماری دارند) که قبلاً شناسایی نشده بودند را نشان می‌دهد.

میگا گفت: «این بخش‌هایی از ژنوم انسان که بیش از 20 سال نتوانسته‌ایم آن‌ها را مطالعه کنیم برای درک ما از نحوه عملکرد ژنوم، بیماری‌های ژنتیکی و تنوع و تکامل انسان مهم هستند. بسیاری از نواحی تازه کشف شده حتی اگر شامل ژن های فعال نباشند، عملکردهای مهمی در ژنوم دارند.

دیدن کل ژنوم به عنوان یک سیستم کامل مزیت عمیقی دارد. David Haussler، مدیر مؤسسه ژنومیک سانتا کروز UC گفت: این دید ما را در موقعیتی قرار می دهد که بتوانیم نحوه عملکرد آن سیستم را کشف کنیم. ما با داشتن تقریباً 90 درصد از ژنوم انسان، درک عظیمی از زیست‌شناسی و بیماری‌های انسان به دست آورده‌ایم، اما بسیاری از جنبه‌های مهم وجود داشت که از دید علم پنهان بود، زیرا ما فناوری خواندن آن بخش‌ها از ژنوم را نداشتیم. اکنون می‌توانیم در بالای کوه بایستیم و تمام منظره زیر را ببینیم و تصویر کاملی از میراث ژنتیکی انسانی خود به دست آوریم.»

توالی ژنوم T2T، نشان دهنده ژنوم CHM13 تمام شده به اضافه کروموزوم T2T Y اخیراً تکمیل شده (CHM13 شامل یک کروموزوم X است و کروموزومY  ندارد)، اکنون یک ژنوم مرجع جدید در مرورگر ژنوم UCSC است. توالی T2T به طور کامل در مرورگر تفسیر شده است، و راهی کارآمد برای دانشمندان برای دسترسی و تجسم انبوهی از اطلاعات مرتبط با ژن ها و سایر عناصر ژنوم فراهم می‌کند.

میگا توضیح داد: «ما می‌خواستیم اطلاعات را به گونه‌ای منتشر کنیم که برای محققان در دسترس و آشنا باشد تا بتوانند شروع به پیش بردن کار‌هایشان کنند و از همه ابزارها و منابعی که مرورگر ارائه می‌کند استفاده کنند.

ژنوم مرجع جدید T2T مکمل ژنوم مرجع استاندارد انسانی است که به عنوان کنسرسیوم مرجع ژنوم ساخت 38 (GRCh38) شناخته می شود، که منشأ آن در پروژه ژنوم انسانی با بودجه عمومی بود و از اولین پیش نویس در سال 2000 به طور مداوم به روز شده است.

هاسلر توضیح داد: «ما در حال اضافه کردن یک ژنوم کامل دوم هستیم و سپس پیشرفت‌های بیشتری هستیم. مرحله بعدی این است که در مورد مرجع ژنوم بشریت به عنوان یک توالی ژنومی واحد فکر کنیم. این یک تغییر عمیق است و نوید دوران جدیدی می‌دهد که در آن ما در نهایت تنوع انسانی را به شیوه‌ای بی طرفانه به تصویر خواهیم کشید.»

کنسرسیوم T2T اکنون به کنسرسیوم مرجع پانژنوم انسانی ملحق شده است که هدف آن ایجاد یک “مرجع پانژنوم انسانی” جدید بر اساس توالی ژنوم کامل 350 فرد است.Benedict Paten، دانشیار مهندسی زیست مولکولی در UCSC، یکی از نویسندگان مقالات T2T، و یکی از رهبران این پژوهش، می گوید: «پانژنومیک در مورد ثبت تنوع جمعیت انسانی و همچنین حصول اطمینان از ضبط درست کل ژنوم است. “بدون داشتن نقشه ای از این مناطق دشوار توالی ژنوم در بین افراد مختلف، ما مقدار زیادی از تنوع موجود در جمعیت خود را از دست می‌دهیم. T2T ما را آماده می کند تا صدها ژنوم را از تلومر به تلومر دیگر بررسی کنیم. حتما نتیجه خوبی خواهد داشت!”

ژنوم مرجع استاندارد (GRCh38) یک فرد را نشان نمی‌دهد، بلکه از چندین اهداکننده جمع آوری شده است. ادغام آنها در یک دنباله خطی ساختارهای مصنوعی را در دنباله ایجاد کرد. پروژه پانژنوم انسانی این امکان را فراهم می‌کند که ژنوم‌های جدید توالی یابی شده را با چندین ژنوم کامل که نشان دهنده طیف وسیعی از اجداد انسان هستند، مقایسه کند.

یک نتیجه مهم از توالی جدید T2T امکان ارزیابی دقیق‌تر واریانت‌های ژنتیکی است. زمانی که ژنوم‌های انسانی برای مطالعات بالینی برای درک نقش انواع ژنتیکی در بیماری یا مطالعه تنوع ژنتیکی در درون و بین جمعیت‌های انسانی توالی‌بندی می‌شوند، تقریباً همیشه با تراز کردن نتایج توالی‌یابی با ژنوم مرجع برای مقایسه آنالیز می‌شوند. تیم نوع T2T پیشرفت‌های عمده‌ای را در شناسایی و تفسیر انواع ژنتیکی با استفاده از توالی جدید T2T در مقایسه با ژنوم مرجع استاندارد انسانی ثبت کردند.

ژنوم جدید انسان در سطح بازها فوق‌العاده دقیق است و به ما اجازه می‌دهد تا صدها هزار واریانت را که با نگاشت آنها به مرجع استاندارد تفسیر اشتباه شده‌اند، علامت‌گذاری کنیم. بسیاری از این گونه‌های جدید در ژن‌هایی هستند که به بیماری کمک می کنند. ما اکنون می‌توانیم آن‌ها را شناسایی کنیم زیرا ژنوم مرجع کامل‌تر و دقیق‌تری داریم.

تحقیقات میگا بر روی DNA ماهواره‌ای (امتداد طولانی توالی‌های DNA تکراری که بیشتر در تلومرها و سانترومرها و اطراف آن یافت می‌شوند) متمرکز شده است. سانترومرها هر کروموزوم را به یک بازوی کوتاه و یک بازوی بلند جدا می‌کنند و کروموزوم‌های تکراری را قبل از تقسیم سلولی در کنار هم نگه می‌دارند.

سانترومرها نقش مهمی در نحوه جداسازی صحیح کروموزوم‌ها در طول تقسیم سلولی ایفا می کنند و مدتی است که می دانیم که آنها به اشتباه در انواع بیماری های انسانی تنظیم می شوند. اما ما هرگز نتوانستیم آنها را در سطح توالی مطالعه کنیم،” میگا گفت. “بزرگترین بخش از توالی های جدید اضافه شده به مرجع، DNA های ماهواره ای سانترومر هستند. برای اولین بار، می‌توانیم توالی‌هایی را که سانترومر را تعریف می‌کنند، «باز به باز» مطالعه کنیم و شروع به درک نحوه عملکرد آن کنیم.»

کنت گفت: کار T2T منعکس کننده تلاش های پایدار و اختصاصی بسیاری از افراد در UC Santa Cruz و جاهای دیگر است. کارن میگا برای یک دهه سخت کار کرده است تا توالی‌های سانترومر واقعی را وارد مجموعه‌های ژنوم انسان کند، و این تلاش بالاخره به نتیجه رسید!

مترجم: آروین اسفندی

منبع